摘 要：使用主流的CMOS工藝設計高效率、高增益和一定輸出功率的射頻功率放大器仍然是無線通信片上系統面臨的主要挑戰之一。本文簡述了CMOS射頻功率放大器的研究熱點和設計難點，重點討論了負載線" title="負載線">負載線匹配、線性區擴展和功率效率增強等關鍵技術，并提出了一種改進型的包絡消除與恢復（EER）的線性擴展法，能滿足寬帶通信系統的功率放大需要。
關鍵詞：CMOS 射頻? 功率放大器? 包絡消除與恢復? 線性區擴展

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??? 手機、無繩電話、射頻標簽（RFID）、無線局域網（WLAN）等無線通信市場的快速發展，不斷推動射頻前端收發器向高集成、低功耗、結構緊湊、價格低廉的方向發展。
??? 功率放大器（簡稱功放）是無線發射器中必不可少的組成部分，也是整個發射機中耗能最多的部件，輸出功率一般比較大。現代通信技術為了提高頻譜利用率，普遍采用同時調幅調相的技術，要求功放有很好的線性度" title="線性度">線性度；通信的移動特性要求功放的功率效率盡可能地高。相對于其它無線收發組件，大功率、高線性、高效率是功率放大器的基本設計要求。
??? 目前大部分商用功放使用GaAs器件，但是，GaAs器件比CMOS Si器件造價高，且混合工藝做成的系統體積比較大,而流行的片上系統要求功放能和其它射頻前端組件、基帶電路、DSP電路等用主流的CMOS工藝集成在同一芯片上，以減小體積、降低造價、增加系統可靠性。在CMOS射頻前端中，低噪聲放大器、混頻器、濾波器、放大器的研究和設計比較成熟，而200mW以上、高效率、高線性的深亞微米" title="深亞微米">深亞微米CMOS射頻功率放大器仍然是CMOS片上系統最難實現的組件之一。
??? 從二十世紀80年代初[1]人們就開始嘗試采用CMOS工藝進行功率放大器的研究和設計，直到1994年[2]，才出現CMOS射頻功率放大器的相關報導。一直以來大部分文獻只針對單一功放的設計，只有少量文獻[3～6]從系統組件的層次進行研究，而使用CMOS工藝實現片上功放線性化" title="線性化">線性化的論文更少。
??? 從歷史發展和目前的研究現狀來看：CMOS工藝尺寸減小，擊穿電壓下降；工作頻率升高，高頻增益下降；電源電壓降低，放大管導通電阻消耗功率的比重加大，導致加性功率效率（PAE）降低。也就是說，CMOS工藝的進步除了提高功放的工作頻率外，對輸出功率、線性度、PAE等指標的改善難度加大，實現起來更困難。
1 CMOS射頻功率放大器的設計難點和研究熱點
??? 射頻功率放大器與一般線性射頻放大器的主要區別之一是：為了提高輸出功率，放大管的輸出阻抗和負載阻抗一般不成共軛匹配關系，而是采用下面論述的負載線匹配方法。
1.1 負載線匹配方法
??? 射頻功率放大器的輸入匹配網絡可以使用共軛阻抗匹配方法，但是它不適于大信號模式下的輸出匹配網絡。主要因為功率放大管的電流輸出驅動能力有限，且輸出電壓擺幅受電源電壓的限制；而共軛匹配理論假設放大管的驅動能力不受限制，輸出電壓擺幅也不受限。另外，共軛匹配沒有充分利用管子的電流輸出能力，如果充分利用應采用比源阻抗實部更小的負載電阻，它是最大電壓與最大電流的比值，一般稱作負載線匹配電阻^[7]。
1.2 功率放大器的研究熱點
??? 功率放大器可分為電流源類和開關類，設計中選擇哪類功放主要取決于系統所采用的信號調制方式，另外與電路采用的工藝息息相關。但是，任何一種單一的功放很難同時滿足在很寬功率輸出范圍內，PAE高、線性度好的要求。一般說來，當輸出功率接近最大時，效率最高，但是線性度變差；輸出功率從最大值回退時，線性度比較好，但是效率較低。在功率可控的無線通信系統中，功放經常工作在低于最大輸出功率以下很寬的范圍內。在這段范圍內的平均功率效率才是最為重要且有實際意義的指標，其定義為^[8]：

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??? 是輸出功率的概率密度函數；分別表示輸入功率函數、輸出功率函數、平均功率效率。
??? 在類似CDMA的多載波系統中，當峰均比為10dB時，A類功放的理論平均功率效率僅為5%、B類為28.5%，考慮到實際電路因素，平均功率效率還要遠低于此值。所以在滿足其它性能指標的基礎上，較高的平均功率效率才具有實際意義。另外，現代通信技術為了提高頻譜利用率，普遍采用同時調幅調相的技術，信號需要線性放大，同時為了防止不同通信系統的相互干擾以及本系統內相鄰信道之間的串擾，也需要線性非常好的功率放大器。所以，在很寬的輸出功率范圍內射頻功率放大器研究的熱點是：
??? (1) 如何提高功率效率，特別是平均功率效率；
??? (2) 如何提高功放的線性度。
1.3? 研究CMOS射頻功率放大器的難點
??? 負載線匹配方法廣泛用于功率放大器的設計，但是在深亞微米CMOS工藝中，管子的溝道夾斷電壓比較高，有的甚至達到供電電壓的一半^[9]，用傳統的負載線匹配方法往往達不到設計指標，此時必須兼顧管子的飽和區與線性區，得到最佳負載阻抗值。如何通過理論與實踐相結合的方法，取得預期的結果，仍然是亟待解決的難題之一。另外，深亞微米CMOS管的擊穿電壓很低，輸出電壓擺幅不能過大，使得在同等輸出功率條件下實現相同性能指標功放的難度增大。最后，深亞微米CMOS硅襯底阻值比較低，一般在0.01～10Ω/cm左右，片上電感、變壓器的損耗大，對功率放大器的設計極為不利。
以上三點仍然是困擾深亞微米CMOS射頻功率放大器設計的難題。
2 CMOS射頻功率放大器的線性化方法和功率效率增強技術
??? 無論是經典的調幅信號、單邊帶信號、殘余邊帶信號，還是現代的脈沖成形信號、多載波OFDM/OFDMA信號，都需要線性放大。另外，為確保功放在分配的帶寬內放大信號，防止干擾相鄰信道，也需要對功率放大器進行線性化處理。
2.1? 線性化方法
??? 功放的輸出功率一般很大，其非線性特征容易對相鄰信道的信號和其它頻段的信號造成強干擾。克服的方法，一是確保其使用的器件具有很高的線性度，這通常是很困難的；二是通過采用一些方法，對器件引起的非線性進行校正，即一般所說的線性化。一般采用第二種方法。
??? （1）功率回退
??? 它在過去的大功率功放中比較常用。基本思路是降低功放輸入信號的強度，以免功率增益出現壓縮。但是功率回退時，功率效率急劇下降，平均功率效率更低，不能充分利用功放的放大能力，往往造成巨大浪費。
??? （2）預失真
??? 這種方法在輸入端對基帶信號進行預失真，補償調制模塊和功放模塊造成的功率壓縮，從而輸出線性化信號。它既可以采用模擬預失真也可以采用數字預失真。模擬預失真需要設計與功放功能相反的組件，在精度上很難實現；數字預失真則需要自動控制機制，實現起來比較復雜。隨著現代制造工藝的飛速發展，采用CMOS數模混合的預失真方法，將是未來幾年深亞微米CMOS功放線性化的主流研究方向之一。
??? （3）負反饋
??? 根據反饋信息的不同，又可以分為笛卡爾反饋和極點反饋。負反饋在CMOS射頻領域應用受限的兩大因素，一是信號延時比較大，二是CMOS工藝實現的匹配網絡損耗比較大，品質因數不高。一般說來，延時是惡化功放線性性能的主要原因，負反饋延時主要由匹配網絡引起。 典型的高功率2GHz射頻功放，從輸入到輸出的延時一般為5～30ns。如果延時降低5～10倍，即可應用于多載波線性化領域。
??? （4）前饋
??? 這種方法把功放的輸出信號衰減后與功放輸入端的信號相比較，差值信號經過同倍放大，在輸出端補償功放的非線性。前饋功率放大器沒有延時、速度快，能在幾個射頻周期內快速測量信號的變化，能滿足寬帶多載波系統線性化的指標要求，所以在沉寂了半個世紀后又重新成為研究的熱點。但是由溫度變化和器件老化引起的漂移是開環系統致命的缺點，如何消除漂移是近年來研究的熱點。另外，兩個通道的增益和相位失配對系統線性度影響也很大。
??? （5）非線性器件的線性化（LINC）
??? 另外一種比較常用的線性化方法，是利用非線性器件（LInearization using Nonlinear Component，LINC）或組件實現整個模塊的線性化方法，又稱反相相位法（out-phasing）。它把幅度時變的帶通信號分離成兩個常包絡且調制相位相反的時變相位信號，分別放大后在輸出端進行功率合成。但是，信號分離器使用模擬電路很難實現，即使使用數字電路實現，也存在帶寬窄、功耗大等問題；而且兩路信號很難保持相位和幅度均衡，一般用于窄帶信號。到目前為止還沒有采用這種方法實現一個完整的CMOS功放系統。
??? （6）包絡消除與恢復（EER）
??? 這種方法提取出信號的幅度和相位信息，分別放大后再進行相位和幅度的合成，輸出射頻信號。相位和幅度的合成一般使用高效率的開關類功率放大器，管子的柵極接相位信號，電源電壓用幅度信號進行調制。這種方法的優點是平均效率比較高，一般是線性功放的3～5倍；且線性度只與包絡通道有關，提高線性性能比較方便。缺點是需要補償相位、幅度兩路徑的延時差；而且限幅器使用CMOS工藝不容易實現。
??? （7）Doherty
??? 這種方法的原理是：在主功率放大器出現功率壓縮時，利用輔功率放大器的功率增益擴展功能作補償，在輸出端進行功率合成，形成線性的輸入輸出關系。它不僅能改善系統的線性性能，而且能提高輸出功率和功率效率。這種方法的主要問題，一是增益變化和相位偏差導致線性度進一步惡化，二是輔功率放大器的實現非常難，三是它不能消除AM/AM、AM/PM失真。
2.2 提高CMOS射頻功率放大器功率效率的方法
??? 現代通信系統要求移動終端的工作時間盡可能地長，而終端中消耗能量最多的是功放，因此希望功放的功率效率盡可能地高。但是，功放的功率效率和線性度之間是相互矛盾的，效率的提高往往以犧牲線性度為代價，在設計中需要尋求折中方案。上一節討論的一些線性化方法，如LINC、Doherty、EER，在宏觀層次上能提高功放的功率效率。另外，比較常用的提高功放功率效率的方法還有自適應偏置法。它的電路結構與EER方法類似，唯一不同的是它沒有限幅器，射頻信號直接進入功率放大器輸入端。它不像EER那樣對包絡信號的調制范圍和線性度要求很精確，但是它對平均功率效率的改善不是很明顯，可以作為一種輔助手段綜合應用。
3 改進型包絡消除與恢復線性化電路
??? David Su等已經實現了采用EER方法的CMOS功放系統^[3]。此系統的信號帶寬只有30kHz，只能用于語音窄帶系統。根據研究，EER線性化結構的交調失真在- 60dBc～-20dBc范圍內時，與信號帶寬BRF和兩通道間延時差

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??? 當信號帶寬為30kHz、交調失真在－40dBc以下時，兩通道間延時差滿足1.3?滋s即可；若信號帶寬為1MHz、交調失真在－30dBc以下，則兩通道間的延時差必須控制在70ns以內。這時，電源調制電路使用Δ調制就非常困難了。為滿足1MHz信號帶寬、－30dBc的交調指標，本文提出了一種基于雙回路反饋的EER線性化方法，如圖1所示。